材料分析技术在集成电路制程中的应用Word格式文档下载.docx
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在成份分析方面,附加在扫描式电子显微镜上的X光能谱分析仪,当然是最简便的化学元素分析仪器,其使用率一直也是所有元素分析仪器当中最高的;
然而因为有限的侦测浓度和可侦测的元素范围,对微量的成份或表面污染,需借重二次离子质谱仪或全反射式X光萤光分析仪,而对纵深方向(DepthProfiling)的元素分布,则需利用拉塞福背向散射质谱仪、扫描式欧杰电子显微镜或二次离子质谱仪才能完成;
此外,若是要对结晶材料(CrystallineMaterials)的晶体结构或原子排列方向作深入的分析,则可以利用X光绕射分析仪或穿透式电子显微镜的电子绕射图样(ElectronDiffractionPattern)作进一步的研究。
对于各种分析仪器的基本原理,简要来说,一般显微镜的系统,多是利用光学镜片或电磁场来偏折或聚焦带能量的粒子束(例如:
可见光、电子、离子、X光),借着粒子束与物质的作用,激发出各类二次粒子(例如:
可见光、二次电子、背向散射电子、穿透式电子、绕射电子、二次离子、特性X光、绕射X光、欧杰电子、光电子、背向散射离子、萤光等),侦测其二次粒子的能谱、质谱、光谱、或成像,即可分析材料的结构和特性。
在各类仪器中可以依入射粒子束的不同,概分为三大类:
一、电子(请见图11-1-3),
二、离子(请见图11-1-4),三、X光(请见图11-1-5);
图11-1-3
图11-1-4
图11-1-5
11-2材料分析技术
11-2-1光学显微镜(OpticalMicroscopy,OM)
光学显微镜的仪器装置简便(请见图11-2-1),其成像原理是利用可见光照射在试片表面造成局部散射或反射来形成不同的对比,然而因为可见光的波长高达~4000-7000埃,在分辨率(或谓鉴别率、解像能,系指两点能被分辨的最近距离)的考量上自然是最差的。
根据瑞莱的准则(Raleigh'
scriterion),分辨率(s)可以用以下的公式来表示:
(1)
n是介质的折射率
θ是物镜与试片间的半夹角
NA(NumericalAperature)表示透镜系统的分辨率和所形成的影像亮度的一组数值
图11-2-1
当NA越大时,表示透镜系统的品质越高,s越小,也就是分辨率越好;
在实际的限制上,NA的最大值为0.95,所以假设可见光的波长为0.5um,s大约为0.61x0.5um/0.95=0.32um;
而为了要提高分辨率,也可以将试片浸泡在折射率较高的介质中,例如:
油类(n=1.52)、水(n=1.33),让s值变小。
在一般的操作下,由于肉眼的鉴别率仅有~0.2mm,当光学显微镜的最佳分辨率只有~0.2um时,理论上的最高放大倍率只有1000X,在这个数值以上是所谓空的放大倍率(EmptyMagnification),并无法提供更多的资料,所以是没有意义的,然而也因为放大倍率有限,所以在同一次的观察区域中,视野却反而是各种成像系统中最大的,这说明了光学显微镜的观察事实上仍能提供许多初步的结构资料。
在实际应用上,光学显微镜的优点为仪器购置成本低、操作简便、几乎没有试片制备的需要,通常在观察时,直接将试片放置在基座上即可观察,若为了加强影像的对比,可以变化光源的照射方向,或取部份折射的光线作成暗视野成像,凸显某种材质的对比,或以偏极化光源(PolarizingIllumination)作为入射粒子束,都有加强对比的效果,此外,亦可以用化学溶液选择性的蚀刻试片表面,造成高低不平的形象来加强对比,甚至以特殊配方的溶液来凸显某种特定的结构缺陷;
表11-2-1列出在半导体材料研究中,对于芯片缺陷的观察时常用的几种化学溶液,可观察叠差(StackingFaults,SF)、差排(Dislocation)、或析出物(Precipitates);
图11-2-2是在硅芯片中的各种缺陷经过化学溶液的蚀刻后所突显的凹痕特征,以下将列举数例说明个各种应用。
表11-2-1
图11-2-2
11-2-1-1组件横截面结构观察
图11-2-3
图11-2-3(a)和(b)是一个静态随机内存(StaticRandomAccessMemory,SRAM)产品的横截面结构观察,比较图11-2-3(a)的光学显微镜照片和图11-2-3(b)的扫描式电子显微镜照片可以发现虽然光学显微镜的分辨率较差,但是因为光线对各种材料的反射率不同,仍能能清楚的分辨金属和复晶层。
图11-2-4是一个动态随机内存(DynamicRandomAccessMemory,DRAM)产品的横截面结构观察,从图11-2-4(a)的光学显微镜照片,我们已可以得知是壕沟式电容(Trench
Capacitors)的结构,整体的制程技术一览无遗,已充分显示这是一个两层金属层三层复晶层(2-levelMetal,3-levelPoly,2M3P)的组件结构,虽然图11-2-4(b)的穿透式电子显微镜照片更能显现材料的细部结构,但是要得到500um2以上均匀蚀薄的穿透式电子显微镜试片并非容易,若从时效性的考量着眼,包括试片制备的时间,当然是光学显微镜最快,扫描式电子显微镜次之,穿透式电子显微镜最慢,而从结构资料的丰富性来比较的话,那当然完全相反了。
图11-2-4
11-2-1-2平面式去层次(Delayer)结构分析
图11-2-5.(a)和(b)是对一个静态随机内存作产品结构分析时,先用化学溶液选择性的除去上层金属和氧化层后,裸露出下层复晶负载(Poly-SiLoad)和复晶闸极(Poly-SiGate),两者虽是同材质的复晶硅,但是因为厚度不同,所以在图11-2-5(a)的光学显微镜照片里呈现不同的颜色,已可以看出两者在布局上的相对位置,图11-2-5(b)的扫描式电子显微镜照片分辨率较高,影像景深(DepthofFocus,DOF)较长,在视觉上较有立体感,但是对于布局上的观察似乎提供了类似的讯息。
图11-2-5
11-2-1-3析出物空乏区(DenudedZone)的观察
图11-2-6是对一个逻辑产品芯片下方空乏区的观察,该芯片用微小角度倾斜研磨(AngleLapping)后,经过Sirtl侵蚀的酸液蚀刻,将(Gettering)后集积在芯片下半部的析出物凸显出来,显现出高密度的轨迹,而在靠芯片表面附近出现一段空乏区,经过角度换算,推断出空乏区的宽度约为20um。
图11-2-6
11-2-1-4氧化叠差(OxidationEnhancedStackingFaults,OSF)的研究
图11-2-7(a)-(c)是一个因场区氧化(FieldOxidation)制程异常以致于在井区(Well)植入区域中生成氧化叠差,图11-2-7(a)的光学显微镜照片是所有组件材料全部去除后裸露的硅芯片表面,经Wright侵蚀后,将芯片中叠差所在的位置蚀刻成线段式的凹痕,箭头所示是垂直交错的叠差只出现在井区;
图11-2-7(b)是同一芯片去除层次后,未作Wright侵蚀的穿透式电子显微镜照片,同样的,垂直交错的叠差只出现在井区,但是叠差显现出清晰的条状干涉条纹,若是在较厚的试片区观察,可以得到完整的叠差影像,如图11-2-7(c)中箭头所示,周围被部份差排(PartialDislocation)所包围;
从材料特性,我们知道硅芯片的叠差座落在四组斜倚(Inclined)的{111}平面上,因为{111}平面与(001)平面的交接方向即为四组[110]方向,因此光学显微镜和穿透式电子显微镜观察皆发现叠差沿着[110]方向垂直交错,而图11-2-7(c)的影像即是座落在{111}平面上的叠差在(001)平面上的投影量,利用简易的几何运算,我们可以得知叠差的长宽与面积,同时了解叠差位于芯片表面以下的深度。
虽然两种观察法都可以确认叠差的分布位置、走向、密度,所得到的结果类似,但是穿透式电子显微镜在分析上更能提供准确的尺寸量测,进一步了解叠差在三度空间的相对位置,推断可能的影响程度。
图11-2-7
11-2-1-5差排的观察
图11-2-8(a)-(c)是对硅芯片内的线缺陷-差排作观察,经Wright侵蚀后,差排终止于芯片表面的端点被蚀刻成凹痕,图11-2-8(a)的光学显微镜照片显示有4条差排线的端点,图11-2-8(b)的扫描式电子显微镜照片是凹痕的放大照片,外观与图11-2-3的图样雷同,图11-2-8(c)的穿透式电子显微镜照片显示这种十字交错差排的原始影像,谨提供各式观察结果的比较,希望能有助于读者的联想。
图11-2-8
11-2-1-6过蚀刻(Overetch)的凹痕
图11-2-9(a)和(b)是在比较组件闸极两侧的间隔层(Spacer)蚀刻制程中,正常与异常的蚀刻所导致的凹痕对比,通常间隔层蚀刻仅在S/D区域造成非常轻微的损失,因此在除去闸极上的复晶材料后,闸极下的信道区(ChannelRegion)与S/D区域的硅芯片在光学显微镜下仅会有些许的对比差异(如图11-2-9(a));
然而若发生严重的过蚀刻现象时,在闸极的两侧将出现某种程度的凹痕,这种凹痕在光学显微镜下会呈现宽带状的暗色对比(如图11-2-9(b)),所以试比较图11-2-9(a)&
(b)的结果,这类过蚀刻的凹痕亦常发生在场氧化(FieldOxidation)前的氮化硅蚀刻制程中,在刚蚀刻完时,如果能熟谙在光学显微镜下的观察将会有助于早期发现问题,不需要破片作扫描式电子显微镜或穿透式电子显微镜观察。
图11-2-9
11-2-2扫描式电子显微镜(ScanningElectronMicroscopy,SEM)
在各类分析工作中,使用率最高的材料分析技术应该算是扫描式电子显微镜,其系统设计由上而下(请见图11-2-10),由电子枪(ElectronGun)发射电子束,经过一组磁透镜聚焦(CondenserLens)聚焦后,用遮蔽孔径(CondenserAperture)选择电子束的尺寸(BeamSize)后,通过一组控制电子束的扫描线圈,再透过物镜(ObjectiveLens)聚焦,打在试片上,在试片的上侧装有讯号接收器,用以择取二次电子(SecondaryElectron)或背向散射电子(BackscatteredElectron)成像。
图11-2-10
表11-2-2
电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布(EnergySpread)要小,目前常用的种类计有四种,1.钨(W)灯丝,2.硼化镧(LaB6)灯丝,3.冷式场发射(ColdFieldEmission),4.热式场发射(HotFieldEmission),它们的亮度、电子束的大小、电子能量散布、使用寿命、和必要的操作真空度有很大的不同(请见表11-2-2);
其中价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝,以热游离(Thermionization)式来发射电子,电子能量散布为2eV;
硼化镧灯丝的优点是亮度高,电子能量散布为1eV,而且使用寿命也比钨灯丝高出数倍;
场发射式电子枪则比钨灯丝和硼化镧灯丝的亮度又分别高出10-100倍,同时电子能量散布仅为0.2-0.3eV,所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪,其分辨率可高达1nm以下,然而场发射式电子枪的电子产生率与真空度有密切的关系,其使用寿命也随真空度变差而急剧缩短,因此在试片制备上必须非常注意水气或固定用的碳胶或银胶是否烤干,以免在观察的过程中,真空陡然变差甚至系统当机。
根据deBroglie波动理论,电子的波长仅与加速电压有关:
λe=h/mv=h/(2qmV)1/2=12.2/(V)1/2(埃)
在10KV的加速电压之下,电子的波长仅为0.12埃,远低于可见光的4000-7000埃,所以分辨率自然比光学显微镜优越许多,但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100埃之间,电子与原子核的弹性散射(ElasticScattering)与非弹性散射(InelasticScattering)的反应体积又会比原有的电子束直径增大,因此扫描式电子显微镜的分辨率比起穿透式电子显微镜仍不是最理想的。
理论上,只考虑电子束直径的大小,加速电压愈大,可得到愈小的聚焦电子束,然而增加加速电压却有一些不可忽视的缺点:
1.无法看到试片表面的微细结构
2.会出现不寻常的边缘效应
3.电荷累积的可能性增高
4.试片损伤的可能性增高
在扫描式电子显微镜的分析中,表面的微结构需利用低加速电压来观察,当加速电压增高时,电子束的穿透力及扩散力增大,试片中易产生一些多余的讯号(如背向散射电子的数量增加),降低影像的对比,并掩盖表面的微结构,需用低加速电压才能取得较佳的影像。
根据数值仿真
(2)和实际观察结果(3),入射电子束在材料中的分布与加速电压和试片的原子序(Z)有关(请见图11-2-11):
图11-2-11
Z<
15-呈泪滴形(Teardrop)
15<
Z<
40-比较像球形(MoreSpherical)
Z>
40-呈半球形(Hemi-spherical)
所有二次粒子(包括二次电子、背向散射电子、特性X光、欧杰电子、光子、和电子电洞对)皆在这个区域内产生(请见图11-2-12),而电子穿入试片内的纵向深度与固体材料的密度和加速电压有关,可以用以下的算式来表达:
Re=4.289x10-6xE1.75/p(cm)-----适用于20<
E<
200keV
其中p是材料的密度(硅Si-2.33g/cm3,锗Ge-5.32g/cm3,砷化镓GaAs-5.35g/cm3,磷化铟InP-4.7g/cm3),所以也可改写成以下简式:
图11-2-12
Re,Si=1.84x10-6xE1.75
Re,Ge=8.05x10-7xE1.75
Re,GaAs=8.0x10-7xE1.75
Re,InP=9.1x10-7xE1.75
所谓二次电子系指能量在50eV以内的电子,其产生率与试片的原子序(Z)无关,不同原子序的材料并不会有很大的对比差异,然而因为其产生的位置在离试片表面5-50nm以内的深度,所以二次电子成像的对比通常与试片表面的高低形貌比较有关,理论上,试片放射出二次电子的数量决定于电子束的入射角,然而影像亮度的差异主要来自于试片倾斜的方向是正对着或背对着侦测器;
以一个长条形试片为例,试片以纵向对着侦测器(请见图11-2-13)可得到均匀的亮度,因为当电子束入射角度与试片表面的垂直方向成一夹角时,电子在试片内的路径将增加,二次电子的产生率也会随之增加,影像的对比即随夹角而改变,因此在实际应用时,试片基座必须具备倾斜和旋转的功能,随时能改变试片观察的方向,以取得最佳的影像对比。
图11-2-13
虽然二次电子影像是最常被用于扫描式电子显微镜分析的技术,但是背向散射电子影像也能提供相当重要的信息;
所谓背向散射电子系指经过大角度弹性碰撞,逃离试片表面时,能量非常接近入射电子束的电子,因为背向散射系数随原子序增加而增加,所以原则上对表面平整的试片来说,扫描式电子显微镜的影像是不会有明显的对比的,除非试片的材料成份属于不同的原子序,背向散射电子的影像才会有明显的对比;
总括来说,背向散射电子的产生率及方向随试片的组成、表面的高低形貌、结晶相、和磁性等特性有关,当然影响亮度和对比的因素也跟试片表面的状况有关,例如:
局部区域的电场、材料的磁性、或试片接地的情形。
背向散射电子主要可提供试片的组成(Composition)和表面的高低形貌(Topography)等信息,分析时欲区分这两种信息需利用一对对称的半导体侦测器(SemiconductorDetector)(请见图11-2-14),两组讯号加成可得到组成的影像(CompositionImage),相减则可得到高低形貌的影像(TopographyImage);
由于背向散射电子产生的体积范围大于二次电子,因此背向散射电子的空间分辨率较二次电子差,但是因为背向散射电子的能量大于二次电子,所以背向散射电子较不受电荷累积及试片污染的影响。
图11-2-14
除了利用二次电子和背向散射电子可以研究试片表面的形貌之外,扫描式电子显微镜的各类应用尚有:
1.电子穿隧效应(ElectronChannelingContrast)的对比差异可以分析晶粒的结晶方向;
2.磁性对比(MagneticContrast)可以分辨扇区(MagneticDomain)的位置;
3.局部电位差异(LocalPotentialdifference)导致的电压对比(VoltageContrast)可以辨别导体是否联机良好或断线;
4.甚至于对一些电性活化的缺陷(ElectricallyActiveDefects)、P/N接面漏电(Junction
Leakage)在受到电子束激发后可以转化成电流或电压的讯号被侦测到,这即是所谓的电子束激发的电流(ElectronBeamInducedCurrent,EBIC)或电子束激发的电压(ElectronBeamInducedVoltage,EBIV)分析法,目前被大量的作为组件故障分析时寻找故障点的利器。
在实际应用上,扫描式电子显微镜的影像可能出现扰动的状况,除了可能是仪器本身有问题之外,常是源于操作人员缺乏经验,不适当的样品制备,或其它如实验室环境等外在因素,其型态及成因可列成如表11-2-3。
在IC组件的一般观察中,通常取二次电子的讯号成像,所以明暗对比通常就代表试片表面高低起伏的程度,在试片制备时,可以利用不同的化学溶液选择性的蚀刻材料结构,来凸显局部影像的对比,但是影像的明暗对比却只代表材质被蚀刻的程度,并不能完全代表结构本身的材料成份。
从结构资料的特点来看,比较扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜对同一组件类似的横截面结构的观察,图11-2-15(a)是扫描式电子显微镜照片,所显示的是试片表面经劈裂后利用化学溶液选择性蚀刻某些材质后所凸显的明暗对比,而在结晶性材料的位置,例如:
金属层或复晶层的所在,图11-2-15(b)的穿透式电子显微镜照片所看到的明暗对比则是电子束与材质本身晶体结构经由绕射反应后成像的结果,因此晶粒的形状与大小皆可辨识,甚至复晶闸极的两层复晶都可分辨,而对于硅芯片下P/N接面(Junction)的观察,扫描式电子显微镜影像显现的是S/D离子布植区高杂质浓度的硅片芯片被蚀刻的凹痕,而穿透式电子显微镜照片显现的则是S/D离子布植区在退火后遗留下来的缺陷影像(如箭头所示)。
表11-2-3
图11-2-15
表11-2-4是扫描式电子显微镜观察时常用的化学蚀刻液,而在实际应用上,必须依材质的种类和所欲研究的结构,利用表11-2-5所列的化学溶液一览表来蚀刻各种不同材质,选择性的凸显特定位置的对比,图11-2-16(a)-(d)将比较类似组件的横截面结构,经不同化学溶液蚀刻后所得到的影像。
图11-2-16(a)是用含硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)的化学溶液蚀刻Si和SiO2,所以复晶闸极(Poly-SiGate)和Si基片下方的P/N接面都被蚀刻,而且整个横截面结构的各层次都很清楚。
图11-2-16(b)是用只含氢氟酸的化学溶液蚀刻SiO2,所以复晶闸极和金属线之间的各层SiO2都非常清楚,尤其是箭头所示的Spacer,但是Si
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